孫曉東, 金曉萍, 解芳, 孫厚杰, 鄭思涓

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100083; 2.中國北方車輛研究所, 北京 100072)

0 引言

隨著裝甲車輛作戰(zhàn)信息化水平不斷提高,單車乘員的數(shù)量逐步精簡成為主要發(fā)展趨勢[1],其作業(yè)類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)車載信息顯示完成對戰(zhàn)場和車輛信息的采集、傳輸、處理和存儲等[2]。而乘員的信息資源處理能力有限,來自戰(zhàn)場多維度、多通道的大量信息易導(dǎo)致乘員的認(rèn)知負(fù)荷增大、感知能力下降,作戰(zhàn)績效降低[3]。為了減輕乘員的信息資源負(fù)擔(dān),提高獲取、理解和處理信息的速度和準(zhǔn)確性,研究有效的告警方式來提示作戰(zhàn)的關(guān)鍵信息至關(guān)重要,而在作戰(zhàn)中最重要的信息是敵車的方位[4]。

多模態(tài)是指至少將兩個感官系統(tǒng)(或感覺模態(tài))進(jìn)行結(jié)合,以促進(jìn)人與復(fù)雜系統(tǒng)之間的有效互動[5]。乘員的感知和行為中經(jīng)常無意識地處理和利用信息冗余是多感官信息的基礎(chǔ)[6],互補(bǔ)或冗余的多感官信息可以提升告警效果[7]。因此,對敵車方位進(jìn)行多模態(tài)告警可能會提升乘員的感知能力與任務(wù)績效[8]。Wickens[9-10]的多資源理論為多模態(tài)告警提供了指導(dǎo)原則,它表明乘員的信息處理資源分為視覺、聽覺、認(rèn)知和動作4個部分,有些資源可以同時使用而不影響任務(wù)績效,一種模態(tài)處理多個任務(wù)(例如同時處理兩個聽覺任務(wù))可能會顯著降低任務(wù)績效。

目前多模態(tài)信息提示研究主要集中在駕駛、軍事和航空等領(lǐng)域。Wang等[11]在駕駛模擬器中通過向駕駛員提供告警信號,發(fā)現(xiàn)視覺和聽覺結(jié)合的多模態(tài)告警能夠提高駕駛員的績效。Huang[12]和Lundqvist等[13]研究了單模態(tài)、雙模態(tài)和三模態(tài)方向告警對年輕和年老駕駛員反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)年老駕駛員可以從雙模態(tài)告警中獲益,三模態(tài)告警潛在優(yōu)勢仍存在爭議。Oskarsson等[14]在戰(zhàn)斗車輛模擬器上使用三模態(tài)提示了威脅的動態(tài)方向,與單模態(tài)和雙模態(tài)提示進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)三模態(tài)提示既有整體最佳的感知性能和反應(yīng)表現(xiàn),也不會增加乘員認(rèn)知負(fù)荷,類似的多模態(tài)信息提示優(yōu)勢也可在軍事航空[15-16]中看到。Ngo等[17]在空中交通管制訓(xùn)練場景中,研究了聽覺、觸覺和多模態(tài)告警,發(fā)現(xiàn)多模態(tài)告警顯著提升了操作員的績效。李家文等[18]提出一套適用于駕駛員不同疲勞狀態(tài)的復(fù)合預(yù)警方案,該方案全面提高了疲勞預(yù)警效果。張子健[19]探討了多模態(tài)刺激對駕駛員駕駛績效的影響,發(fā)現(xiàn)聲音和振動組合刺激方案在絕大部分指標(biāo)上優(yōu)于聲音和振動刺激方案。陳慧娟[20]對飛行員駕駛艙信息顯示進(jìn)行了研究,通過添加聽覺和觸覺提示,減輕了視覺通道負(fù)荷,提高了信息感知的高效性和準(zhǔn)確性。認(rèn)知負(fù)荷在多模態(tài)信息提示中扮演著重要角色,認(rèn)知負(fù)荷指用戶在特定目標(biāo)下,工作記憶保持并加工信息所能承受的負(fù)荷量[21]。在過去的研究中,Santangelo等[22]和Marucci等[23]進(jìn)行了目標(biāo)搜索實驗,發(fā)現(xiàn)操作員在高認(rèn)知負(fù)荷時,采用雙模態(tài)信息提示能夠提升操作績效,而在低認(rèn)知負(fù)荷時,雙模態(tài)信息提示對操作績效沒有影響。Gilson等[24]發(fā)現(xiàn)在高認(rèn)知負(fù)荷和視覺通道信息量過載情況下,添加觸覺信息提示能夠提升士兵作戰(zhàn)績效。

綜上所述,目前研究在多個領(lǐng)域探討了多模態(tài)信息提示的優(yōu)勢,然而在裝甲車輛領(lǐng)域,由于使用場景的復(fù)雜性,針對敵車方向進(jìn)行多模態(tài)告警的研究較少,相關(guān)理論研究與數(shù)據(jù)支撐非常有限。此外,關(guān)于乘員在不同認(rèn)知負(fù)荷水平下對不同告警類型的反應(yīng)效果評價也研究較少。因此,本文基于裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實驗平臺,面向裝甲車輛乘員某一假定作業(yè)任務(wù),以視覺告警為基線,研究敵車方向的多模態(tài)告警對不同認(rèn)知負(fù)荷水平下裝甲車輛乘員反應(yīng)的影響,并對告警效果進(jìn)行評價。

1 多模態(tài)告警實驗方法

1.1 被試人員

實驗招募了20名成年男性作為被試人員,年齡為18～30歲(平均值M=24.35歲,標(biāo)準(zhǔn)差SD=3.42歲)。所有被試者身體狀況良好,均為右利手,無色盲色弱,雙眼視力或矯正視力正常,聽覺和觸覺正常。

1.2 實驗設(shè)備

實驗基于自主開發(fā)的裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實驗平臺,如圖1所示。該平臺主要由作戰(zhàn)環(huán)境、車輛控制、信息提示和內(nèi)部數(shù)據(jù)4個主要模塊構(gòu)成。其中,作戰(zhàn)環(huán)境模塊提供了真實的作戰(zhàn)場景,包括山脈、樹木、巖石等,光照正常,被試人員通過車輛控制模塊可實現(xiàn)車輛的前進(jìn)與停止、炮臺旋轉(zhuǎn)、瞄準(zhǔn)鏡開閉和炮彈發(fā)射等,信息提示模塊提供視覺和聽覺告警信息,內(nèi)部數(shù)據(jù)模塊可記錄被試者的任務(wù)績效(包括反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率)。

圖1 裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實驗平臺Fig.1 Virtual simulation experiment platform for armored vehicle occupant task

在裝甲車輛作戰(zhàn)任務(wù)中,乘員可通過視覺、聽覺和觸覺感知各種告警信息,以往國內(nèi)外的告警方式大多也圍繞這3種感官來設(shè)計。因此,本文實驗考慮視覺、聽覺和觸覺3種模態(tài)告警。

視覺告警設(shè)計主要考慮視覺的顏色和提示形式。在顏色方面,選用乘員容易辨認(rèn)的紅色;在提示形式方面,選用乘員容易理解的時鐘指針圖標(biāo),時鐘上的指針指向表明了敵車在己車360°范圍內(nèi)的方位。紅色時鐘圖標(biāo)顯示大小為8 cm×8 cm,出現(xiàn)在乘員眼睛平視屏幕注視點的上方位置,不會影響正常的搜索和瞄準(zhǔn)打擊。如圖2所示,實驗設(shè)計了8種時鐘圖標(biāo),能夠提示敵車的8種方位情況。

圖2 視覺告警Fig.2 Visual warning

聽覺方面,通過無線藍(lán)牙耳機(jī)接收實驗平臺內(nèi)置的8種時鐘形式的聽覺告警,為男聲提前錄制,例如“5點鐘方向,5點鐘方向”。如圖3所示,每個語音提示總時長為2.5 s,其中第1部分和第2部分時長分別為1.2 s和0.8 s,間隔0.5 s。

圖3 聽覺告警Fig.3 Audible warning

聽覺告警信息的強(qiáng)度由聲音的響度決定,正常人的聽覺強(qiáng)度范圍為0～140 dB,聽覺告警信息強(qiáng)度最好保證比環(huán)境噪聲超出8～15 dB的水平[25],考慮車內(nèi)振動與噪聲對乘員的影響,聽覺告警信號的聲音強(qiáng)度均設(shè)為85 dB。

觸覺方面,為便于安裝與攜帶,在被試者腰部安裝一個觸覺腰帶提供觸覺告警。如圖4所示,被試者面向正南方,腰帶一周固定8個微型振動器。每個振動器電壓為1.5 V,振動頻率為315 Hz,長度、寬度和高度分別為5.5 cm、3.2 cm和1.1 cm。被試者通過觸覺腰帶能夠感知到8個方位的觸覺振動提示。

圖4 觸覺腰帶Fig.4 Tactile belt

1.3 實驗設(shè)計

在本文實驗中,被試人員行駛路線近似為一條由北向南的直線,車輛由北向南勻速行駛,如不依靠告警提示,被試者無法快速確認(rèn)敵車方位。如圖5所示,在己車行駛方向的45°～315°范圍內(nèi),敵車出現(xiàn)的方位共有8種情況。實際作戰(zhàn)在己車后方出現(xiàn)敵車情況相對較少,因此,為貼合實際情況,在己車的315°～360°和0°～45°方向不設(shè)置敵車出現(xiàn)。視覺、聽覺和觸覺告警針對敵車出現(xiàn)的方位都能夠進(jìn)行具體提示。

圖5 己車與敵車方位圖Fig.5 Location map of own vehicle and enemy vehicle

實驗采用4(告警類型)×2(認(rèn)知負(fù)荷水平)被試人員內(nèi)雙因素設(shè)計:

1)因素1為告警類型。裝甲車輛乘員作戰(zhàn)過程中,視覺通道是主要的信息感知途徑,是大腦認(rèn)知加工活動最廣泛調(diào)用的通道,視覺通道信息量大,易導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷過載,通過添加聽覺或觸覺通道,可能會提升乘員作戰(zhàn)績效,增強(qiáng)感知性能。因此,以視覺告警為基線,告警類型有4種情況,包括視覺(V);視覺+聽覺(V+A);視覺+觸覺(V+T);視覺+聽覺+觸覺(V+A+T)。在雙模態(tài)和三模態(tài)告警情況下,告警方向與敵車存在的方向在空間中保持一致,并且告警出現(xiàn)始終時間同步。

2)在本文實驗中,因素2為認(rèn)知負(fù)荷水平,通過添加倒數(shù)計數(shù)次任務(wù)來增加被試人員的認(rèn)知負(fù)荷。有倒數(shù)計數(shù)任務(wù)時,被試人員認(rèn)知加工過程信息量增加,認(rèn)知負(fù)荷變高。8種實驗條件下的具體設(shè)定如表1所示。為消除練習(xí)和疲勞效應(yīng),實驗順序采用拉丁方設(shè)計。

表1 不同實驗條件設(shè)定

1.4 實驗任務(wù)及流程

實驗包括預(yù)實驗和正式實驗兩個階段:預(yù)實驗階段時,被試人員充分熟悉實驗平臺場景特點、車輛操作和具體任務(wù)流程,熟悉視覺、聽覺和觸覺告警的具體含義,簽署實驗知情同意書,并進(jìn)行不低于 15 min練習(xí);正式實驗階段時,每名被試者均需完成表1所示的8種實驗條件,各實驗條件下,敵車會在圖5所示的8個方位以隨機(jī)順序依次出現(xiàn),出現(xiàn)時間間隔為20 s,敵車出現(xiàn)后立即呈現(xiàn)各實驗條件下的告警提示(呈現(xiàn)時長為5 s)。

實驗在封閉房間內(nèi)進(jìn)行,光線正常,無雜音。被試者的任務(wù)包括主任務(wù)和次任務(wù),被試者需要盡最大能力完成主任務(wù),用自己剩余能力完成次任務(wù)。實驗針對裝甲車輛乘員某一假定作業(yè)任務(wù),任務(wù)特點為:乘員搜索敵車目標(biāo),經(jīng)過感覺加工、知覺和認(rèn)知,以及反應(yīng)選擇等信息加工過程,先敵開火,最終擊毀敵車。經(jīng)過查閱資料并與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜矣懻?被試人員的主任務(wù)具體實驗流程為:在裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實驗平臺中,觀察作戰(zhàn)環(huán)境并搜索敵車目標(biāo),當(dāng)敵車出現(xiàn)時,根據(jù)告警提示快速轉(zhuǎn)動炮臺,發(fā)現(xiàn)敵車時,打開瞄準(zhǔn)鏡,裝彈并發(fā)射炮彈擊毀敵車。如果炮臺開始轉(zhuǎn)動方向與告警提示的方向不同,則被記為反應(yīng)錯誤情況。在高認(rèn)知負(fù)荷水平下,實驗全程被試人員還需完成倒數(shù)計數(shù)次任務(wù):從1 000開始,以3為單位逐次倒數(shù)(例如,“1 000”、“997”、“994”等),如果計數(shù)錯誤,被試者立即被告知從頭開始計數(shù),此計數(shù)任務(wù)侵入性小,不會對主任務(wù)造成較大影響。實驗結(jié)束后被試人員填寫理解性和接受性主觀評價量表,單次實驗持續(xù)10～15 min,休息時長約5 min。

1.5 測量方法與指標(biāo)

本實驗綜合采用主觀評價量表和任務(wù)績效測量作為告警效果評價方法。對不同認(rèn)知負(fù)荷水平下的乘員對敵車方位進(jìn)行告警提示,既要保證乘員快速感知到告警信息,又要保證其能正確理解告警信息,做出正確反應(yīng),以免產(chǎn)生煩擾感。因此,主觀評價方面,從理解性和接受性[18]兩個方面評價各告警類型的告警效果。

理解性評價量表包括信號理解和知覺匹配兩部分,信號理解用來評價告警方式傳遞的信息能否被乘員正確理解,知覺匹配用來評價告警方式給予乘員的感覺是否符合當(dāng)前的認(rèn)知狀態(tài)。接受性量表用來評價告警給乘員造成的煩擾程度。理解性和接受性的評價采用5級(-2～2)量表的形式,具體內(nèi)容如表2和表3所示。

表2 理解性評價量表

表3 接受性評價量表

任務(wù)績效包括反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率,通過實驗平臺內(nèi)置腳本獲取。如圖6所示,反應(yīng)時間指告警出現(xiàn)到炮臺開始轉(zhuǎn)動時間。殲敵時間指告警出現(xiàn)到敵車被擊毀的時間。反應(yīng)錯誤率指每個實驗條件下,告警出現(xiàn)后,炮臺方向轉(zhuǎn)動錯誤次數(shù)占比率。反應(yīng)時間可以反映乘員的感知能力,用來評價乘員能否快速感知到告警信息做出反應(yīng),殲敵時間和反應(yīng)錯誤率能夠體現(xiàn)乘員的作戰(zhàn)績效水平。

圖6 反應(yīng)時間與殲敵時間Fig.6 Reaction time and annihilation time

2 實驗結(jié)果

對告警效果評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,統(tǒng)計檢驗置信度取0.05。采用被試人員內(nèi)雙因素重復(fù)測量方差分析(ANOVA)研究告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平對于評價指標(biāo)的主效應(yīng)和交互效應(yīng),效應(yīng)大小為η2,η2為因素對整體因變量的影響效果。采用最小顯著性差異(LSD)方法對告警類型進(jìn)行事后多重比較。當(dāng)結(jié)果不滿足球形假設(shè)時,采用Greenhouse-Geisser方法校正后的修正自由度和p,p為衡量差異性的指標(biāo)。

2.1 主觀評價量表結(jié)果

不同實驗條件下的主觀評價量表的描述性統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。低認(rèn)知負(fù)荷水平下的主觀評價量表得分比高認(rèn)知負(fù)荷水平下的得分高。信號理解和知覺匹配的得分依據(jù)V、V+A、V+T、V+A+T順序越來越高。

表4 不同實驗條件下的主觀評價量表描述性統(tǒng)計結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.1.1 信號理解量表結(jié)果

信號理解量表結(jié)果如圖7所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(2.06,39.06)=0.23,p>0.05,η2=0.012,F值用于檢驗告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平各變量之間是否存在統(tǒng)計顯著性差異)。告警類型對信號理解得分主效應(yīng)顯著(F(1.89,35.81)=13.66,p<0.001,η2=0.418),事后多重比較結(jié)果顯示,與僅V告警相比,V+T(p<0.001)、V+A+T(p<0.001)均顯著提高了信號理解得分,V+A(p=0.056)沒有顯著提高信號理解得分。

圖7 不同實驗條件下信號理解量表結(jié)果Fig.7 Results of signal understanding scale under different experimental conditions

認(rèn)知負(fù)荷水平對信號理解得分主效應(yīng)顯著(F(1,19)=8.94,p=0.008,η2=0.320),具體表現(xiàn)為低認(rèn)知負(fù)荷水平下的信號理解得分顯著高于高認(rèn)知負(fù)荷水平。

2.1.2 知覺匹配量表結(jié)果

知覺匹配量表結(jié)果如圖8所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(3,57)=0.078,p>0.05,η2=0.004)。告警類型對知覺匹配得分主效應(yīng)顯著(F(2.05,39.00)=5.47,p=0.008,η2=0.224),事后多重比較結(jié)果顯示,與僅V告警相比,V+T(p=0.024)、V+A+T(p<0.001)顯著提高了知覺匹配得分,V+A(p=0.234)并沒有顯著提高知覺匹配得分。

圖8 不同實驗條件下知覺匹配量表結(jié)果Fig.8 Results of perceptual match scale under different experimental conditions

認(rèn)知負(fù)荷水平對知覺匹配得分主效應(yīng)顯著(F(1,19)=8.99,p=0.007,η2=0.321),具體表現(xiàn)為低認(rèn)知負(fù)荷水平下的知覺匹配得分顯著高于高認(rèn)知負(fù)荷水平。

2.1.3 舒適度量表結(jié)果

舒適度量表結(jié)果如圖9所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(3,57)=0.106,p>0.05,η2=0.006)。告警類型對舒適度得分主效應(yīng)不顯著(F(3,57)=0.45,p>0.05,η2=0.023)。

圖9 不同實驗條件下舒適度量表結(jié)果Fig.9 Results of comfort scale under different experimental conditions

認(rèn)知負(fù)荷水平對舒適度得分主效應(yīng)不顯著(F(1,19)=2.11,p>0.05,η2=0.100)。

2.2 任務(wù)績效結(jié)果

不同實驗條件下的反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率的描述性統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。低認(rèn)知負(fù)荷下的反應(yīng)時間和殲敵時間比高認(rèn)知負(fù)荷水平下的短,依據(jù)V、V+A、V+T、V+A+T順序,反應(yīng)時間和殲敵時間越來越短。在每個認(rèn)知負(fù)荷水平下,每種告警類型的告警總次數(shù)為160次(20名被試人員,敵車出現(xiàn)方向有8種情況)。低認(rèn)知負(fù)荷水平下反應(yīng)錯誤率均比較低,在高認(rèn)知負(fù)荷水平下,V+T、V+A+T告警明顯降低了反應(yīng)錯誤率。

表5 不同實驗條件下的反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率描述性統(tǒng)計結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2.1 反應(yīng)時間

反應(yīng)時間結(jié)果如圖10所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(1.63,30.93)=0.19,p>0.05,η2=0.010)。告警類型對反應(yīng)時間主效應(yīng)顯著(F(1.95,36.96)=20.29,p<0.001,η2=0.516),事后多重比較結(jié)果顯示,與僅V告警相比,V+T(p=0.001)、V+A+T(p<0.001)均顯著降低了反應(yīng)時間,V+A(p=0.056)沒有顯著降低反應(yīng)時間。

圖10 不同實驗條件下反應(yīng)時間結(jié)果Fig.10 Results of reaction time under different experimental conditions

認(rèn)知負(fù)荷水平對反應(yīng)時間主效應(yīng)顯著(F(1,19)=55.69,p<0.001,η2=0.746),具體表現(xiàn)為低認(rèn)知負(fù)荷水平下的反應(yīng)時間顯著低于高認(rèn)知負(fù)荷水平。

2.2.2 殲敵時間

圖11 不同實驗條件下殲敵時間結(jié)果Fig.11 Results of annihilation time under different experimental conditions

殲敵時間結(jié)果如圖11所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(3,57)=0.09,p>0.05,η2=0.005)。告警類型對殲敵時間主效應(yīng)顯著(F(2.31,43.81)=17.37,p<0.001,η2=0.478),事后多重比較結(jié)果顯示,與僅V告警相比,V+T(p<0.001)、V+A+T(p<0.001)均顯著降低了殲敵時間,V+A(p=0.065)沒有顯著降低殲敵時間。

認(rèn)知負(fù)荷水平對殲敵時間主效應(yīng)顯著(F(1,19)=6.90,p=0.017,η2=0.266),具體表現(xiàn)為低認(rèn)知負(fù)荷水平下的殲敵時間顯著低于高認(rèn)知負(fù)荷水平。

2.2.3 反應(yīng)錯誤率

反應(yīng)錯誤率結(jié)果如圖12所示,ANOVA結(jié)果表明,告警類型和認(rèn)知負(fù)荷水平之間的交互效應(yīng)不顯著(F(1.83,34.81)=1.67,p>0.05,η2=0.081)。告警類型對反應(yīng)錯誤率主效應(yīng)顯著(F(1.93,36.73)=3.96,p<0.05,η2=0.172),事后多重比較結(jié)果顯示,與僅V告警相比,V+T(p<0.05)、V+A+T(p<0.05)均顯著降低了反應(yīng)錯誤率,V+A(p=0.772)沒有顯著降低反應(yīng)錯誤率。

圖12 不同實驗條件下反應(yīng)錯誤率結(jié)果Fig.12 Results of reaction error rate under different experimental conditions

認(rèn)知負(fù)荷水平對反應(yīng)錯誤率主效應(yīng)顯著(F(1,19)=5.59,p<0.05,η2=0.227),具體表現(xiàn)為低認(rèn)知負(fù)荷水平下的反應(yīng)錯誤率顯著低于高認(rèn)知負(fù)荷水平。

3 討論

本文旨在研究敵車方向的多模態(tài)告警對不同認(rèn)知負(fù)荷水平下裝甲車輛乘員反應(yīng)的影響,綜合采用主觀評價量表和任務(wù)績效對告警效果進(jìn)行評價,實驗所測得的主觀評價量表得分、反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率的ANOVA結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.1 關(guān)于多模態(tài)告警類型的討論

在任務(wù)績效方面,包含觸覺的多模態(tài)告警均顯著降低了反應(yīng)時間、殲敵時間與反應(yīng)錯誤率。相比V告警的反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率,V+T告警分別降低了17.4%、15.3%和77%,V+A+T告警分別降低了20.9%、18.7%和88%。

表6 ANOVA結(jié)果匯總

Wickens的多資源理論強(qiáng)調(diào)感官通道在信息處理資源中的作用[26]。乘員執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時,觸覺告警的添加,將視覺通道的大量信息一部分轉(zhuǎn)移到觸覺通道,減少了視覺通道的信息量,削弱了乘員對視覺資源的競爭,有利于加快乘員的反應(yīng)時間。觸覺告警信息使乘員易于感知和理解,更加符合乘員的認(rèn)知狀態(tài),不會額外增加乘員的認(rèn)知負(fù)荷,而且在表達(dá)方向或空間方位信息時更加直觀[27],所以包含觸覺的多模態(tài)告警的信號理解和知覺匹配的得分顯著增加。在添加倒數(shù)計數(shù)次任務(wù)后,認(rèn)知負(fù)荷增大,依據(jù)Van Erp等[28]提出的Prenav模型,觸覺告警可以使乘員繞過認(rèn)知過程,不需要太多認(rèn)知資源來處理觸覺信息,而且不會轉(zhuǎn)移乘員對當(dāng)前任務(wù)的注意力,這能夠潛在地減少認(rèn)知負(fù)荷過載,提升作戰(zhàn)績效。目前,White等[29]已經(jīng)證明了一種觸覺腰帶對士兵方向提示的有效性和適用性,可以有效地在復(fù)雜與危險的野外環(huán)境中使用。

在V+A條件下,任務(wù)績效、信號理解和知覺匹配得分相比視覺告警并沒有顯著提高。首先, Loomis等[30]證明時鐘形式的空間語言轉(zhuǎn)換為一定含義表征需要消耗一定時間和認(rèn)知資源,所以理解時鐘形式的聽覺告警需要一些額外的認(rèn)知加工過程,例如理解“5點鐘方向”這個告警信息,乘員首先需要將告警信息通過認(rèn)知加工過程轉(zhuǎn)換為己車與敵車方位的空間圖像,然后再理解其表達(dá)的方位信息,最后做出反應(yīng)動作,這些步驟將使乘員的反應(yīng)時間增加,加大了告警信息的理解難度。此外,本實驗聽覺告警信息強(qiáng)度均為85 dB,可能因為聽覺告警信息強(qiáng)度的設(shè)定,相較于V告警,V+A條件下的任務(wù)績效并沒有明顯提升,未來可以研究不同聽覺告警聲音的強(qiáng)度、頻率和間隔時間等因素對乘員任務(wù)績效的影響。

三模態(tài)告警有著最高的理解性量表得分和最佳的任務(wù)績效。在裝甲車輛實戰(zhàn)時,視覺、聽覺和觸覺告警信息都可能會被復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境掩蓋,利用三模態(tài)告警可以減少乘員錯過單一告警信息的可能性,且各告警信息之間也有一定互補(bǔ)性。此外,時間和空間同步的三模態(tài)告警最大限度地激活了大腦皮層的多感覺神經(jīng)元[7],提高了反應(yīng)速度,反應(yīng)時間縮短。

3.2 關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷水平的討論

在高認(rèn)知負(fù)荷水平下,一方面乘員需要完成搜索、瞄準(zhǔn)和打擊這一系列主任務(wù),另一方面需要完成倒數(shù)計數(shù)次任務(wù)。相比低認(rèn)知負(fù)荷水平,乘員需要處理的信息量增加,當(dāng)乘員所需要信息的認(rèn)知資源超過可用資源時,會引起資源分配不足,而且認(rèn)知資源本身具有有限性,會導(dǎo)致乘員無法順利完成主任務(wù),引起績效惡化,反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率顯著增加。當(dāng)告警信息出現(xiàn)后,乘員需要通過知覺與認(rèn)知活動理解其含義并做出正確反應(yīng),認(rèn)知負(fù)荷增大導(dǎo)致注意與記憶資源分配不足,導(dǎo)致乘員信息理解難度增加,所以信號理解量表和知覺匹配量表的得分顯著降低。

Lavie[31]證明在認(rèn)知負(fù)荷較低的情況下,多模態(tài)提示并不一定比單模態(tài)提示更有效,Spence[32]發(fā)現(xiàn)在認(rèn)知負(fù)荷較高的情況下,如果多模態(tài)告警中的聽覺和觸覺提示的方向相同,則仍然有能力捕捉操作者的空間注意力,即使信號本身沒有提供關(guān)于目標(biāo)的位置信息。如果從不同的空間位置提供完全相同的單模態(tài)提示,多模態(tài)提示就不再有效。本文實驗多模態(tài)告警條件下,視覺、聽覺和觸覺的告警信息出現(xiàn)時間同步且告警方向在空間中保持一致性。因此,在認(rèn)知負(fù)荷較大的情況下,結(jié)果表明,相比視覺告警,包含觸覺的多模態(tài)告警仍能使乘員更容易理解,并且顯著提升了任務(wù)績效。

4 結(jié)論

本文在探究敵車方向的多模態(tài)告警對不同認(rèn)知負(fù)荷水平下裝甲車輛乘員反應(yīng)的影響,在所設(shè)計的實驗條件下,得出以下主要結(jié)論:

1)相比視覺告警,包含觸覺的多模態(tài)告警更容易使乘員理解,更符合乘員的認(rèn)知狀態(tài),顯著減少了乘員的反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率,三模態(tài)告警是最佳的告警類型,提示乘員在視覺通道信息量過載或認(rèn)知負(fù)荷增大時,可采用多模態(tài)告警來提升乘員的作戰(zhàn)績效。

2)時鐘形式的聽覺告警不容易使乘員理解,增加了乘員的反應(yīng)時間,提示在多模態(tài)告警設(shè)計時,聽覺告警信息應(yīng)使乘員易于感知和理解。

3)增加認(rèn)知負(fù)荷后,乘員信息理解能力顯著下降,反應(yīng)時間、殲敵時間和反應(yīng)錯誤率顯著增加,提示在多模態(tài)人機(jī)交互設(shè)計時,需要采用適宜的干預(yù)手段使乘員認(rèn)知負(fù)荷維持在較低水平。

本文通過分析敵車方向的多模態(tài)告警對不同認(rèn)知負(fù)荷水平下裝甲車輛乘員反應(yīng)的影響,對告警效果進(jìn)行了綜合評價,可為裝甲車輛艙室多模態(tài)人機(jī)交互告警設(shè)計提供理論依據(jù)。